Willkommen zum ersten Mal in unserer Serie über Exoplaneten-Jagdmethoden. Heute beginnen wir mit der beliebtesten und am weitesten verbreiteten Methode, der Transit-Methode (auch bekannt als Transit-Photometrie).
Seit Jahrhunderten spekulieren Astronomen über die Existenz von Planeten außerhalb unseres Sonnensystems. Immerhin mit dazwischen 100 und 400 Milliarden Sterne in der Milchstraße allein schien es unwahrscheinlich, dass unsere die einzige war, die über ein Planetensystem verfügte. Aber erst in den letzten Jahrzehnten haben Astronomen die Existenz von . bestätigt extrasolare Planeten (auch bekannt als Exoplaneten).
Astronomen verwenden verschiedene Methoden, um die Existenz von Exoplaneten zu bestätigen, von denen die meisten indirekter Natur sind. Von diesen war die bisher am weitesten verbreitete und effektivste Transitphotometrie , eine Methode, die die Lichtkurve entfernter Sterne für periodische Helligkeitsabfälle misst. Diese sind das Ergebnis von Exoplaneten, die relativ zum Beobachter vor dem Stern vorbeiziehen (d.h. im Transit).
Beschreibung:
Diese Helligkeitsänderungen sind durch sehr kleine Einbrüche und für feste Zeiträume gekennzeichnet, normalerweise in der Nähe von 1/10.000 der Gesamthelligkeit des Sterns und nur für wenige Stunden. Diese Änderungen sind ebenfalls periodisch und verursachen jedes Mal und für die gleiche Zeitdauer die gleichen Helligkeitsabfälle. Anhand der Abschwächung der Sterne können Astronomen auch wichtige Informationen über Exoplaneten gewinnen.
Aus all diesen Gründen gilt die Transitphotometrie als eine sehr robuste und zuverlässige Methode zur Exoplanetenerkennung. Von den 3.526 bisher bestätigten extrasolaren Planeten hat die Transitmethode 2.771 Entdeckungen gemacht – das sind mehr als alle anderen Methoden zusammen.
Vorteile:
Einer der größten Vorteile der Transitphotometrie besteht darin, dass sie genaue Beschränkungen der Größe erkannter Planeten liefern kann. Dies basiert offensichtlich darauf, inwieweit sich die Lichtkurve eines Sterns durch einen Transit ändert. Während ein kleiner Planet eine subtile Änderung der Helligkeit bewirkt, bewirkt ein größerer Planet eine deutlichere Änderung.
In Kombination mit der Radialgeschwindigkeitsmethode (die die Masse des Planeten bestimmen kann) kann man die Dichte des Planeten bestimmen. Daraus können Astronomen die physikalische Struktur und Zusammensetzung eines Planeten abschätzen – also feststellen, ob es sich um einen Gasriesen oder einen Gesteinsplaneten handelt. Die Planeten, die mit diesen beiden Methoden untersucht wurden, sind mit Abstand die am besten charakterisierten aller bekannten Exoplaneten.
Neben der Aufdeckung des Durchmessers von Planeten kann die Transitphotometrie es ermöglichen, die Atmosphäre eines Planeten durch Spektroskopie zu untersuchen. Wenn das Licht des Sterns die Atmosphäre des Planeten durchdringt, können die resultierenden Spektren analysiert werden, um festzustellen, welche Elemente vorhanden sind, und geben so Hinweise auf die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre.
Künstlerische Darstellung eines extrasolaren Planeten, der seinen Stern durchquert. Bildnachweis: QUB Astrophysics Research Center
Nicht zuletzt kann die Transitmethode auch Aussagen über die Temperatur und Strahlung eines Planeten anhand von sekundären Finsternisse (wenn der Planet hinter seiner Sonne vorbeigeht) verraten. Bei dieser Gelegenheit messen Astronomen die photometrische Intensität des Sterns und ziehen sie dann von den Messungen der Intensität des Sterns vor der sekundären Sonnenfinsternis ab. Dies ermöglicht Messungen der Temperatur des Planeten und kann sogar das Vorhandensein von Wolkenformationen in der Atmosphäre des Planeten bestimmen.
Nachteile:
Die Transitphotometrie leidet auch unter einigen großen Nachteilen. Zum einen sind Planetentransite nur dann beobachtbar, wenn die Umlaufbahn des Planeten zufällig perfekt mit der Sichtlinie der Astronomen ausgerichtet ist. Die Wahrscheinlichkeit, dass die Umlaufbahn eines Planeten mit dem Aussichtspunkt eines Beobachters zusammenfällt, entspricht dem Verhältnis des Durchmessers des Sterns zum Durchmesser der Umlaufbahn.
Nur etwa 10 % der Planeten mit kurzen Umlaufzeiten erfahren eine solche Ausrichtung, und diese nimmt bei Planeten mit längeren Umlaufzeiten ab. Daher kann diese Methode nicht garantieren, dass ein bestimmter beobachteter Stern tatsächlich Planeten beherbergt. Aus diesem Grund ist die Transitmethode am effektivsten, wenn Tausende oder Hunderttausende von Sternen gleichzeitig vermessen werden.
Es leidet auch unter einer beträchtlichen Rate falsch positiver Ergebnisse; in einigen Fällen sogar bis zu 40% in Einzelplanetensystemen (basierend auf a Studie 2012 der Kepler-Mission). Dies erfordert, dass Folgebeobachtungen durchgeführt werden, wobei oft auf eine andere Methode zurückgegriffen wird. Bei Sternen, bei denen mehrere Kandidaten entdeckt wurden, sinkt jedoch die Rate der falsch positiven Ergebnisse.
Anzahl der Entdeckungen extrasolarer Planeten pro Jahr bis September 2014, mit Farben, die die Nachweismethode anzeigen – Radialgeschwindigkeit (blau), Transit (grün), Timing (gelb), direkte Bildgebung (rot), Mikrolinsen (orange). Kredit: Gemeinfrei
Während Transite viel über den Durchmesser eines Planeten aussagen können, können sie die Masse eines Planeten nicht genau einschränken. Dafür ist die Radialgeschwindigkeitsmethode (wie bereits erwähnt) am zuverlässigsten, bei der Astronomen nach Anzeichen von „Wackeln“ in der Umlaufbahn eines Sterns suchen, um die auf sie wirkenden Gravitationskräfte (die von Planeten verursacht werden) zu messen.
Kurz gesagt, die Versandmethode hat einige Einschränkungen und ist am effektivsten, wenn sie mit anderen Methoden kombiniert wird. Dennoch bleibt es das am weitesten verbreitete Mittel zur „primären Detektion“ – das Aufspüren von Kandidaten, die später mit einer anderen Methode bestätigt werden – und ist für mehr Exoplaneten-Entdeckungen verantwortlich als alle anderen Methoden zusammen.
Beispiele für Transitphotometrie-Vermessungen:
Die Transitphotometrie wird von mehreren erd- und weltraumgestützten Observatorien auf der ganzen Welt durchgeführt. Die meisten sind jedoch erdbasiert und verlassen sich auf vorhandene Teleskope in Kombination mit hochmodernen Photometern. Beispiele sind die Superweitwinkelsuche nach Planeten (SuperWASP)-Umfrage, eine internationale Untersuchung zur Jagd auf Exoplaneten, die sich auf die Roque de los Muchachos-Observatorium und der Südafrikanisches Astronomisches Observatorium .
Es gibt auch die Ungarisches automatisches Teleskopnetz (HATNet), das aus sechs kleinen, vollautomatischen Teleskopen besteht und von der Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics . Die MEarth-Projekt ist ein weiteres, von der National Science Foundation finanziertes Roboterobservatorium, das die Fred Lawrence Whipple-Observatorium (FLWO) in Arizona mit dem C erro Tololo Interamerikanisches Observatorium (CTIO) in Chile.
Die SuperWasp-Kameras am South African Astronomical Observatory. Credit: SuperWASP-Projekt & David Anderson
Dann gibt es die Kilograd extrem kleines Teleskop (KELT), eine astronomische Untersuchung, die gemeinsam von der Ohio State University, der Vanderbilt University, der Lehigh University und der Südafrikanische Astronomische Gesellschaft (SAAO). Diese Durchmusterung besteht aus zwei Teleskopen, dem Winer-Observatorium im Südosten von Arizona und den Astronomische Beobachtungsstation Sutherland in Südafrika.
In Bezug auf weltraumgestützte Observatorien ist das bemerkenswerteste Beispiel die der NASA Kepler-Weltraumteleskop . Während seiner ersten Mission, die von 2009 bis 2013 lief, entdeckte Kepler 4.496 Planetenkandidaten und bestätigte die Existenz von 2.337 Exoplaneten. Im November 2013, nach dem Ausfall von zwei seiner Reaktionsräder, begann das Teleskop seine K2-Mission, bei der weitere 515 Planeten entdeckt und 178 bestätigt wurden.
Das Hubble-Weltraumteleskop führte während seiner vielen Jahre im Orbit auch Transitvermessungen durch. Zum Beispiel die Schütze-Fenster verfinstert die Suche nach extrasolaren Planeten (SWEEPS) – das 2006 stattfand – bestand aus Hubble, der 180.000 Sterne im zentralen Bulge der Milchstraße beobachtete. Diese Umfrage ergab die Existenz von 16 zusätzlichen Exoplaneten.
Andere Beispiele sind die der ESA Planetare Konvektion und Transite (COROT) – auf Englisch „Convection Rotation and Planetary Transits“ – die von 2006 bis 2012 betrieben wurde. Dann gibt es die ESA-Mission Gaia, die 2013 mit dem Ziel gestartet wurde, den größten jemals erstellten 3D-Katalog zu erstellen, der über 1 Milliarde astronomische Objekte.
Das Kepler-Weltraumteleskop der NASA war die erste Agenturmission, die in der Lage war, erdgroße Planeten zu entdecken. Bildnachweis: NASA/Wendy Stenzel
Im März 2018 hat die NASA Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) soll in die Umlaufbahn gebracht werden. Mit der Transitmethode wird TESS Exoplaneten erkennen und auch Ziele für die weitere Untersuchung durch die . auswählen James Webb Weltraumteleskop (JSWT), die 2019 eingesetzt wird. Zwischen diesen beiden Missionen wird die Bestätigung und Charakterisierung von vielen Tausend Exoplaneten erwartet.
Dank technologischer und methodischer Verbesserungen hat die Entdeckung von Exoplaneten in den letzten Jahren sprunghaft zugenommen. Mit Tausenden von bestätigten Exoplaneten hat sich der Fokus allmählich auf die Charakterisierung dieser Planeten verlagert, um mehr über ihre Atmosphären und Bedingungen auf ihrer Oberfläche zu erfahren.
In den kommenden Jahrzehnten werden, auch dank des Einsatzes neuer Missionen, einige sehr tiefgreifende Entdeckungen erwartet!
Wir haben viele interessante Artikel über die Exoplanetenjagd hier bei Universe Today. Hier ist Was sind Extrasolare Planeten? , Was sind Planetentransite? , Was ist die Radialgeschwindigkeitsmethode? , Was ist die Direct Imaging-Methode? , Was ist die Gravitationsmikrolinsenmethode? , und Keplers Universum: Mehr Planeten in unserer Galaxie als Sterne .
Astronomy Cast hat auch einige interessante Episoden zu diesem Thema. Hier ist Folge 364: Die COROT-Mission.
Weitere Informationen finden Sie auf der NASA-Seite auf Exoplaneten-Erforschung , die Seite der Planetary Society auf Extrasolare Planeten , und die NASA/Caltech Exoplaneten-Archiv .
Quellen:
- NASA – Die Transitmethode zum Aufspüren zusätzlicher Sonnenplaneten
- NASA: Exoplaneten-Erkundung – 5 Möglichkeiten, einen Exoplaneten zu finden
- The Planetary Society – Transitphotometrie
- Kanarisches Institut für Astrophysik – Die Transitmethode
- Las Cumbres Observatorium - Transitmethode
- Wikipedia – Methoden zum Aufspüren von Exoplaneten
